Вселенная. Путешествие во времени и пространстве

Образ хотя и бесконечной, но стационарной (не меняющейся со временем) Вселенной, наполненной многочисленными галактиками, стал наиболее распространенным в среде образованных людей к началу ХХ века. Но этот образ оказался только отчасти правильным.

Но об этом — позже.

7. Вселенная, управляемая физикой

Бог Ньютону сказал откровенно:
«Мне рулить надоело Вселенной!
Сконструируй, Ньютон,
Тяготенья закон —
Пусть он сам управляет Вселенной!»

Сергей Валлаго, «Законы природы»

Критическое мышление и основанный на нем научный метод позволяют добиться поразительных успехов. Еще раз повторим важный тезис: на протяжении десятков тысяч лет, пока не было науки, человек не мог ничего достоверно узнать об устройстве мира.

Замечательный пример применения научного метода — зарождение астрофизики.

Как узнать об устройстве Солнца, звезд и планет? Как получить информацию о том, из чего состоят небесные тела? Как определить их температуру, скорость движения (на больших расстояниях даже быстро движущиеся тела кажутся неподвижными)?

Казалось, узнать это невозможно. В просвещенном XIX веке, в 1835 году французский философ Огюст Конт писал:

«Мы представляем себе возможность определения их (небесных тел. — Авт.) форм, расстояний, размеров и движений, но никогда, никакими средствами мы не сможем изучить их химический состав, их минералогическое строение, природу органических существ, живущих на их по­верхности… Я остаюсь при своем мнении, что любое знание истинных средних температур звезд неизбежно должно быть навсегда скрыто от нас».

Слова вроде «навсегда» и «никогда» надо использовать аккуратно. Потенциал науки, вооруженной критическим мышлением, оказался громадным — она смогла решить эту задачу! При этом — не летая к далеким звездам.

Что попадает к нам на Землю от далеких звезд? Только свет. Начиная с середины XIX века физики выяснили, что свет несет в себе информацию о многих физических свойствах источника света, то есть звездах.

Еще опыты Ньютона показали, что в свете ближайшей к нам звезды — Солнца — присутствует свет с разной длиной волны. Там есть и световые волны, которые наш глаз воспринимает как красный цвет, и волны, которые мы получаем в виде желтого цвета, и так далее. Природа сама научилась разлагать свет в спектр — разноцветную полоску, в которой лучи света с разной длиной волны расходятся в разные стороны. В природе капельки воды в атмосфере могут работать как спектральный прибор — лучи солнечного света, проходя сквозь них, расходятся в разные стороны в зависимости от длины волны, и тогда мы видим радугу.

Ньютон соорудил первый искусственный спектральный прибор — спектроскоп. В ­дальнейшем физики научились строить более совершенные аппараты. Анализ спектров солнечного света позволил определять многое.

Например, удалось определить температуру излучающей свет поверхности Солнца, причем даже несколькими способами. Если с помощью спектрального прибора разложить солнечный свет в спектр, а затем измерить, сколько энергии приносят от Солнца отдельно красные лучи, отдельно зеленые, отдельно фиолетовые — получится график, напоминающий холм с более крутым левым склоном и более пологим правым.

Закон Вина. Точка максимума на графике смещается влево с повышением температуры.

Оказалось (физики смогли построить соответствующую теорию), что температуру поверхности Солнца можно определить, зная, где находится «вершина холма» на графике (какой длине волны приходящего света соответствует максимум излучения). Простая формула позволяет рассчитать температуру: она тем больше, чем меньше длина волны максимума этой кривой на графике. Эта закономерность носит название за­кона смещения Вина (по имени открывателя — лауреата Нобелевской премии по физике, немецкого физика Вильгельма Вина (1864–1928)). Закон можно сформулировать так:

Длина волны максимума излучения обратно пропорциональна температуре источника излучения Т (в нашем случае поверхности Солнца).

Почему закон называется законом смещения? ­Потому что максимум смещается на графике влево или вправо — в зависимости от температуры.

Представим себе, что максимум излучения звезды приходится на синие или фиолетовые лучи (длина волны равна 400 нанометрам). Это значит, что звезда очень сильно нагрета — температура ее поверхности равна 15–20 тысячам градусов!